Файл: Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод.pdf

использованные для расчета баланса по одиночным скважинам или группам скважин, графики зависимости инфильтрации и испарения от глубины залегания подземных вод (Лебедев, 1963), схемы дренирования и расчленения гидрографа реки и подзем­ ных вод.

Комплекспровать также можно и другие перечисленные выше аналитические карты, например карты минимальных глубин за­ легания грунтовых вод в виде изолинии и амплитуд колебании уровня грунтовых вод с цветной закраской, что тем самым дает представление сразу и о минимальных, и о максимальных уров­ нях подземных вод, или карты режима уровня и химического состава грунтовых вод.

Карты режима подземных вод могут составляться либо в виде информационных карт, отражающих условия залегания п состав подземных вод на различных стадиях их формирования, либо в виде карт прогнозов режима подземных вод с различной сте­ пенью, их заблаговременности. В качестве карт прогнозов режи­ ма подземных вод обычно составляют карты максимальных ве­ сенних, минимальных предвесенних пли летних, а также средне­ годовых уровней подземных вод как для текущего года, так и на несколько лет вперед. В зависимости от масштаба такие кар­ ты также составляют либо в относительных, либо в абсолютных величинах прогнозируемых уровней.

ПРОГНОЗЫ РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В связи с хозяйственной деятельностью перед гидрогеолога­ ми встает задача давать не только региональную характеристику качества и количества подземных вод, имеющихся на отдельных территориях, но п составлять прогнозы их изменчивости как в годовом, так и в многолетнем разрезе. В частности заблаговре­ менно составленные прогнозы режима подземных вод могут явиться основой планирования рациональной эксплуатации под­ земных вод, борьбы с водопритоками в горные выработки, под­ топлением городских территорий, площадей 'разного рода стро­ ительства и сельскохозяйственных угодий, осуществления про­ тивооползневых и мелиоративных мероприятий, планирования севооборота сельскохозяйственных культур, а также для состав­ ления гидрологических прогнозов.

Типы прогнозов

По характеру изменений, происходящих в подземных водах, и причин, их вызывающих, можно выделить три группы их прог­ нозов (Коноплянцев, 1970).

1. Прогнозы нарушенного хозяйственной деятельностью режи­ ма подземных вод в условиях, когда искусственное воздействие на него значительно больше естественных изменений.

фактора. Наибольшее распространение эти методы могут полу­ чить при прогнозах приречного вида режима, определяемого ре­ жимом поверхностных вод, а также при прогнозах спада уров­ ней или дебитов подземных вод в периоды «независимого» их режима.

Расчетные формулы для прогноза минимальных расходов источников были предложены Майе, Губером и Буссинеском еще в 1904 г. для двух случаев:

1)мощность водоносного горизонта достаточно велика и из­ менением ее можно пренебречь;

2)мощность водоносного горизонта соизмерима с амплиту­ дами колебаний уровня.

Впервом случае изменение дебита источника описано урав­ нением

а во втором — уравнением

Qo — дебит источника в начальный момент его спада;

а— коэффициент истощения;

/— продолжительность’ спада дебита.

ВСССР эти уравнения получили распространение после вы­ хода в свет в 1938 г. работы «Режим подземных вод». Однако уравнения «независимого» или «упорядоченного спада дебита

источников для прогнозов естественного их режима были ис­ пользованы лишь в очень немногих работах, в частности И. Г. Глухова (1948) и В. Н. Богачева (1964), апробировавших этот метод соответственно на источниках Крыма и Ордовикско­ го плато.

При наличии четких независимых спадов уровней подземных вод закономерность их снижения может быть также охаракте­ ризована уравнением Майе—Буссинеска, которое можно запи­ сать по аналогии с уравнением (18), относительно мощностей грунтовых вод:

A t — промежуток времени между наблюдавшимся и прог­ нозируемым уровнями грунтовых вод.

Уравнение (20) может быть использовано для прогноза пред­ весеннего и летне-осеннего минимума уровня грунтовых вод. При этом за Н0 в первом случае принимается дренируемая мощность водоносного горизонта в момент устойчивого перехо­ да температур воздуха через 0°С, т. е. когда питание подзем­ ных вод уже практически исключено, а во втором — максималь­ ный весенний уровень, а за Н — искомая дренируемая мощность водоносного горизонта в период минимума (см. рис. 19,6).

Коэффициент истощения определяют по наблюдавшемуся пе­ риоду независимого спада уровня по уравнению

При сравнительно однородном строении осушаемой при спа­ де уровня зоны однажды определенный коэффициент истоще­ ния принимается постоянным для всего периода прогноза (как в течение одного сезона, так и в ряде случаев и в другие годы, характеризующиеся примерно равной водностью). В тех случа­ ях, когда осушаемая зона существенно разнородна, коэффици­ енты истощения должны быть определены отдельно для каждой осушаемой литологической разности пород.

Особенно значительные изменения коэффициентов истоще­ ния наблюдаются в карстовых и неравномерно трещиноватых породах вследствие того, что на первом этапе графики сниже­ ния уровней пли дебитов характеризуют истощение крупных

мельчайших трещин.

При сравнительно равномерной закарстованностп, трещино­ ватости и пористости пород коэффициент истощения равен обычно п - ІО-3, а при резкой неравномерной закарстоваиности и трещиноватости пород, приводящей к движению подземных вод по отдельным сравнительно изолированным каналам или зо­ нам, коэффициент истощения возрастает до /г-10—1.

Кривые спада, построенные в полулогарифмическом масш­

Коэффициент а в этом случае может быть определен как тан­ генс угла наклона прямой линии. При неравномерной трещино­ ватости или закарстованностп подобный график будет иметь один-два перегиба. При этом первый прямолинейный участок соответствует кривой истощения крупных дренирующих кана­ лов, а последний — истощению мелких трещин.

Выбор прогнозной даты наступления минимума (т. е. опре­ деление расчетного значения Л/) лучше всего производить на

основе построенных гистограмм распределения времени наступ­ ления минимума за многолетие, которые позволяют определить не только наиболее вероятное со статистической точки зрения время наступления этого минимума, но и охарактеризовать воз­ можный разброс его значений. Учитывая то, что зависимость снижения уровня имеет экспоненциальный характер, ошибка во времени наступления минимума, равная ± 5 и даже ± 10 су­ ток, не дает существенных ошибок в абсолютных значениях ми­ нимальных уровней.

Следует также отметить, что величины коэффициентов ис­ тощения зависят не только от фильтрационных свойств водовмещающпх пород и размеров водоносного горизонта, но и от степени увлажненности пород в зоне аэрации. Так, можно за­ метить, что в течение водообпльных лет илгг после них, а так­ же после сильного осеннего увлажнения зоны аэрации в пред­ шествовавшем году темп спада уровней или дебитов источни­ ков меньше, чем в год, следующий за одним или тем более за рядом засушливых лет (Ковалевский, 1972). Это также необхо­ димо учитывать при1выборе расчетного значения а.

Применение уравнений (18), (19) и (20) позволяет состав­ лять прогнозы не только минимальных уровней подземных вод или дебнтов источников с заблаговременностью до 3—5 меся­ цев, но и прогнозы уровней и дебитов на любой промежуток времени в пределах независимого их спада.

Значительное развитие получили также аналитические мето­ ды расчетов передачи подпора подземных вод под влиянием паводков в реках, каналах или водохранилищах (Биндеман, 1957; Веригин, 1949; Киселев, 1961; Лебедев, 1957; Огильви, 1956; Полубаринова-Кочнна, 1952; Шестаков, 1965 и др.). Однако прогнозы режима подземных вод в приречных зонах могут сос­ тавляться лишь с небольшой заблаговременностью, когда уже известны изменения уровней поверхностных вод. Давать прог­ нозы режима подземных вод до фиксирования экстремальных уровней поверхностных вод пока не представляется возмож­ ным, так как точность гидрологических прогнозов еще весьма низкая.

Вероятностно-статистические методы

Применение гидродинамических методов для прогнозов ре­ жима подземных вод является ограниченным в связи с тем, что в большинстве случаев естественный режим подземных вод и грунтовых вод в особенности формируется под одновременным воздействием комплекса режимообразующих факторов, суммар­ ный эффект которых интегрируется в регистрируемых наблюде­ ниями колебаниях уровней подземных вод. Несмотря на то что все изменения в режиме подземных вод обусловлены определен­ ными причинно-следственными связями, значительная часть ко­ торых имеет закономерный характер, в сезонном и многолетнем